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REACCIÓN DE ARMADURA
RINCON FLOREZ LEWIS
Cód: 74866335
CASTELLANOS BALLESTEROS PAOLA
Cód: 1090449181
SALAMANCA JAIMES JESÚS
Cód: 1090436761
DOCENTE:
Ing. JORGE LUIS DIAZ
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE INGENIERIAS Y AQUITECTURA
MAQUINAS ELECTRICAS
PAMPLONA
2012
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INTRODUCCIÓN
Las máquinas eléctricas se han hecho imprescindibles en los
tiempos actuales, y comprenden desde las grandes unidades
de generadores (alternadores) situados en las centrales
productoras de energía eléctrica, hasta las máquinas (motores
empleados en el transporte de viajeros y mercancías, en la
industria, etc. Las máquinas eléctricas son el resultado de una
aplicación de los principios del electromagnetismo y en particular
de las leyes de Faraday, Lenz, Lorentz y Ohm.
Para asegurar el buen funcionamiento de las máquinas resulta
necesario estudiar una serie de fenómenos que se producen en
las mismas debido a la reacción que ocurre en el inducido cuando
es conectada alguna carga a la máquina, así también como en el
momento de la conmutación es necesario conocer estos efectos y
solucionar los problemas que presentan éstos para alargar la vida
útil de la máquina y evitar pérdidas económicas.
La mayoría de las máquinas eléctricas, salvo los reactores y los
electroimanes monofásicos, poseen dos o más arrollamientos y,
cuando se encuentran en carga y circulan corrientes por esos
arrollamientos cada uno de ellos produce una fuerza magneto
motriz (fmm) que, al combinarse, dan lugar al flujo en la estructura
magnética, a las tensiones inducidas, y a las fuerzas y cuplas que
originan las acciones ponderomotrices de la máquina.
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OBJETIVOS
Tener un concepto estructurado acerca de la reacción de
armadura en motores de corriente directa
Identificar las consecuencias de la reacción de armadura en
motores de corriente directa, sus consecuencias y modos
corregirlas.
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REACCION DE ARMADURA
El inducido o reacción de armadura con su arrollamiento de
armadura, de tipo distribuido, alojado en ranuras, y también se
muestran figuradamente las escobillas que en realidad apoyan
sobre el colector.
Reacción de armadura
Cuando una máquina de c.c. funciona en vacío, no existe corriente
en el inducido y el flujo en el entrehierro está producido
únicamente por la f.m.m. del inductor. Cuando se cierra el circuito
del inducido sobre una resistencia de carga aparece una
corriente de circulación por los conductores del rotor que dan lugar
a una f.m.m. que combinada con la del estator producen el flujo
resultante en el entrehierro de la máquina. Se conoce como
reacción del inducido al efecto que ejerce la f.m.m. de este
devanado sobre la f.m.m. del inductor, y que hace variar la forma
y magnitud del flujo en el entrehierro respecto a los valores que la
máquina presenta en vacío. Para estudiar el fenómeno de la
reacción del inducido se va a considerar, por simplicidad una
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máquina bipolar como la de la figura anterior. De esta forma,
podrá aplicarse el principio de superposición tanto a los
diagramas de f.m.m. como a los que representan las distribuciones
de flujo magnético en el entrehierro. Dicho de otra manera, en
vez de combinar las f.m.m. del inductor y el inducido para
obtener el flujo resultante, se obtendrá éste sumando las
distribuciones del campo magnético que produce cada f.m.m.
actuando independientemente.
Cuando la máquina trabaja en vacío, solamente actúa la
excitación de los polos, de esta forma se obtiene una
distribución de campo magnético en el entrehierro que es
constante y máxima debajo de cada polo y que decrece
rápidamente en el espacio interpolar hasta hacerse cero en la
línea neutra. En la figura anterior se muestra un esquema
desarrollado de la máquina de la primera figura con la
distribución de la inducción magnética correspondiente en vacío.
Teóricamente la curva anterior debería tener una amplitud
constante y de diferente signo bajo cada polo y ser nula en el
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espacio interpolar, pero esto no es así debido a los flujos de
dispersión que aparecen en los cuernos polares, que hacen que la
forma de B(x) sea en la práctica de forma trapezoidal, tal como
se muestra en la figura anterior. Al cerrar el circuito del
inducido, se originan unas corrientes que producen una f.m.m. de
forma triangular. El eje de esta f.m.m. coincide con el de la
línea de escobillas, de tal forma que si estas se disponen en la
línea neutra, la f.m.m. del inducido será la máxima en esta
línea interpolar, en consecuencia, la f.m.m. de reacción del inducido
tiene carácter transversal respecto a la del inductor.
Distribución de la inducción magnética en el entrehierro producida
por los polos
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Campo de excitación:
Cuando hay solamente corriente de excitación las líneas de fuerza
del campo producido siguen una trayectoria como la mostrada en
la figura anterior donde el sentido de la corriente If es tal que el
polo superior resulta norte y el inferior sur. En la figura se indicó con
un vector Ff la dirección dominante de ese campo.
Se puede observar que la línea neutra magnética, n-n, es decir la
recta que une los puntos de campo nulo del inducido, coincide con
el eje transversal de la máquina; además la inducción magnética es
prácticamente constante bajo los polos y decae en los extremos de
las expansiones polares. Esta es la situación que existe en un
generador en vacío, y es la distribución de campo que se desea en
las máquinas de corriente continua.
Campo de excitación
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Campo armadura:
Si se tiene solamente corriente de armadura I, lo que no es una
situación normal en las máquinas de corriente continua, se
producirá una fuerza magnetomotriz, indicada simbólicamente por
el vector Faa, en la dirección definida por las escobillas, figura
siguiente. El sentido de la corriente de armadura se supuso entrante
en la mitad superior del inducido y saliente en la otra mitad, por lo
tanto el inducido genera un polo norte en su lado izquierdo y un sur
en el derecho.
En este caso el campo resultante se cierra principalmente a través
de las expansiones polares y también resulta una inducción
prácticamente constante en el entrehierro.
Campo resultante:
Cuando la máquina de corriente continua se encuentra en carga y
hay corriente en la excitación y en el inducido, la fuerza
magnetomotriz transversal del inducido distorsiona el campo
producido por la excitación, produciendo un campo resultante como
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se indica aproximadamente en la figura siguiente, que se aleja de la
distribución ideal mostrada en la tercera figura.
De acuerdo al principio de alineación, que establece que las fuerzas
magnetomotrices tratan de alinearse, la Fa trata de alinearse con la
F y se genera una cupla electromagnética en el rotor(inducido) en
sentido antihorario, por lo tanto la figura siguiente corresponde a un
motor girando en ese sentido o a un generador haciéndolo en
sentido contrario. F Analizando el campo resultante en la figura
siguiente se pueden observar dos efectos significativos.
Corrimiento de la línea neutra magnética:
La línea neutra magnética se desplaza un ángulo ∆θ, en el sentido
de giro de un generador, a una nueva posición n'-n'. Esto origina
problemas de conmutación que se traducen en la formación de
chispas entre las escobillas y el colector las que erosionan la
superficie de este último. Esto se soluciona agregando a la máquina
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los denominados polos auxiliares que se ubican en el eje
transversal y su fmm restituye la línea neutra magnética al eje
transversal.
Antiguamente las máquinas de cierto porte poseían un mecanismo
para poder mover manualmente las escobillas a la posición donde
se producían menos chispas; pero como esto es función de la
carga, podrían requerirse ajustes frecuentes. Además si se mueven
las escobillas a una posición próxima a la de la línea neutra
magnética, la fmm de armadura genera una componente en el eje
longitudinal F que se opone a la de excitación, lo que es altamente
indeseable ya que se reduce la fuerza electromotriz inducida y la
cupla electromagnética y puede llevar a los motores a un
funcionamiento inestable. Además si se invierte el sentido de giro el
efecto es totalmente contrario y se empeora la conmutación.
Maquina compensada
Fuerza magneto motriz
desmagnetizante
Corrimiento de las escobillas
Para evitar este fenómeno habrá que desplazar las escobillas
hasta encontrar la línea neutra real, es decir en el esquema de
la figura 4 habrá que pasar la escobilla de la posición N a la
M, adelantando las escobillas cuando la máquina funciona
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como generador y retrasándolas cuando trabaja como motor. En
la figura se muestra más claramente esta operación.
Desplazamiento de las escobillas hasta la línea neutra
Hay que hacer notar que todos los conductores que se
encuentran a la izquierda del eje de escobillas CD llevan
corriente saliente, mientras que todos los situados a su derecha
llevan corriente entrante. De esta forma, y como se ha
indicado en los párrafos anteriores, se producirá una f.m.m. de
reacción de inducido Fi que coincide con el eje de escobillas, que
puede descomponerse en dos partes: una longitudinal o de eje
directo Fd que tiene carácter desmagnetizante o antagonista,
pues se opone a la f.m.m. de excitación Fe, y que puede
considerarse que está producida por los conductores
comprendidos en el ángulo 2θ, y otra componente transversal Ft
producida por los demás conductores agrupados, abarcando (180-
2θ) grados eléctricos.
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Como quiera que la reacción del inducido es proporcional a la
corriente de carga, el desplazamiento de las escobillas debería
ser variable con el régimen de carga de la máquina. Esto
supondría una operación de gran complejidad que los
constructores han intentado evitar. Por ello, en la práctica en las
máquinas de mediana y gran potencia se impide el
desplazamiento de la línea neutra atenuando el efecto de la
reacción transversal.
Polos auxiliares:
A fin de no desmejorar la conmutación, se debe anular el campo
resultante en eje transversal de la máquina y mantener la línea
neutra en esa posición, para lo cual, como ya se dijo, se colocan los
polos auxiliares.
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Maquina compensada
En principio esos polos auxiliares pero como se verá al estudiar el
fenómeno de la conmutación, al invertirse el sentido de circulación
de la corriente en las bobinas de la armadura que están
conmutando y debido a las inductancias presentes, aparece una
tensión inducida, denominada tensión de reactancia, que también
empeora la conmutación. Esa tensión de reactancia se puede
compensar con los polos deberían producir una fmm igual al valor
máximo de la fmm de la armadura Fauxiliares para lo cual se
incrementa su fmm en un valor ∆F, lo que se indica con un rayado
en aux a máx
Arrollamiento de compensación
Los constructores han intentado evitar. Por ello, en la práctica en
las máquinas de mediana y gran potencia se impide el
desplazamiento de la línea neutra atenuando el efecto de la
reacción transversal. La solución más eficaz consiste en
neutralizar la reacción del inducido a lo largo de toda la
periferia de éste, mediante la incorporación de un arrollamiento
de compensación. Para ello, en las extremidades polares se
practican paralelamente al eje de la máquina unas ranuras en las
cuales se colocan unos conductores dispuestos en serie con el
circuito exterior, de tal forma que la corriente circule en ellos en
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sentido opuesto a la de los conductores del inducido que están
debajo. En la figura 7 se muestra un esquema de este tipo que
contiene 4 conductores por polo, que casi compensan el efecto de
reacción transversal del inducido. En el caso ideal habrá que
incorporar en el devanado de compensación tantos conductores
como existan en el inducido y de esta forma la reacción trasversal
total de la maquina será nula y no habrá desplazamiento de la
línea neutra. Como quiera que estos arrollamientos eleven
considerablemente el costo de una máquina, aumentando
también pérdidas en el cobre, solamente se emplean en las
máquinas de potencia elevada que tengan que soportar
fluctuaciones en la carga.
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CONCLUSIONES:
La reacción del inducido en las máquinas de corriente
continua es un grave problema por distintas situaciones
como la deformación del campo magnético en el
entrehierro, producida por el campo magnético generado
en el inducido cuando este es conectado a alguna
carga. Otro problema es que al aparecer un campo
magnético generado en el inducido, éste puede saturar la
máquina, produciendo un efecto desmagnetizante que
reduce el campo magnético resultante y en consecuencia
reduce la fem generada por la máquina. El chisporroteo
es otro de los problemas graves que se tiene por la reacción
del inducido, este es generado por la deformación del campo
magnético producido por la reacción del inducido, en las
zonas donde ha existido un reforzamiento del campo
magnético, existen tensiones elevadas generando
chisporroteo, a la vez este ocasiona que se desgasten las
escobillas que se conmutan son el colector para recoger la
fem generada.
También resulta molesto estar moviendo las escobillas a la
línea neutra para evitar el chisporroteo, al hacer esto
nos estaríamos adaptando al problema en lugar de
resolverlo y tendría que hacerse cada vez que se varíe la
carga. La solución real al problema es colocar los llamados
polos auxiliares cuya función es la de mover la línea
neutra magnética hasta que quede alineada con la línea
neutra geométrica.
La conmutación también se puede ver afectada por la
reacción del inducido debido a las sobretensiones que
se pueden generar por la deformación del campo
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magnético, generando un gran chisporroteo y
desgastando considerablemente el colector de delgas y las
escobillas y en consecuencia el buen funcionamiento de
la máquina. Para evitar todos estos problemas una
máquina de C.C. necesariamente debe tener los polos
auxiliares, que aunque representa un costo extra al final
resulta beneficioso tanto económicamente como ´para la
vida útil de la máquina.
• Los efectos indeseables de la necesaria reacción de inducido
son más críticos cuanto mayor esa potencia de las
máquinas.
• Las de menor potencia admiten un grado de
sobredimensionamiento que hace innecesaria la
compensación, a partir de unos pocos kilowatts resulta
conveniente colocarle polos auxiliares y en las de mayor
porte, algunas decenas de kilowatts, se les agrega el
arrollamiento compensador, ya que el diseño es más
ajustado y el sobredimensionamiento resulta muy costoso.
• Una máquina de corriente continua bien diseñada, mantenida
y utilizada, funcionará correctamente y tendrá una vida útil
que seguramente cubre las mejores expectativas.
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BIBLIOGRAFIA
[1] Fraile Mora, Jesús. “Máquinas eléctricas”. Editorial
McGraw-Hill, quinta edición, cap. 6, Madrid, España, 2003.
[2] Chapman, Steven. “Maquinas Eléctricas”. Editorial McGraw
– Hill, tercera edición, cap.1, 2000
[3] González Romero, José. “Reacción del Inducido y
Conmutación”. Universidad Politécnica Salesiana, Facultad de
Ingenierías, Ingeniería Eléctrica, Cuenca, Ecuador.
INFOGRAFÍA
http://www.slideshare.net/JJOCELO/reaccin-del-inducido-y-
conmutacin-en-las-maquinas-de-corriente-directa
http://www.tuveras.com/maquinascc/dinamo/reaccion.htm
http://www.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/maq_elec1/induci
do.pdf
http://www3.fi.mdp.edu.ar/maquinas-
electricas/Teorias%20PDF/MEII/PDF%20Presentaciones%20en%2
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%20Reacci%F3n%20de%20armadura%20y%20conmutaci%F3n.pd
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